DE1797063A1

DE1797063A1 - Method for frequency adjustment of a mechanical resonator

Info

Publication number: DE1797063A1
Application number: DE19681797063
Authority: DE
Inventors: Heinz Kimpflinger; Hermann Trattner; Friedrich Wuestner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-08-09
Filing date: 1968-08-09
Publication date: 1971-07-01

Description

Verfahren zum Frequenzabgleich eines mechanischen Resonators Die Erfindung bezie].t sich auf ein Verfahren zum Frequenzabgleich eines mechanischen Resonators, der zumindest teilweise aus einem metallischen Material besteht.Method for adjusting the frequency of a mechanical resonator The invention refers to a method for frequency adjustment of a mechanical resonator, which consists at least partially of a metallic material.

Bekanntlich werden mechanische Resonatoren wegen ihrer hohen Schwinggüte und wegen ihres geringen Raumverbrauche beispiels-weise als Frequenznormal oder in mechanischen Filtern verwendet. In nahezu allen Anwendungefllllen kommt es darauf an, dat3 die Resonanzfrequenz eines derartigen mechanischen.Resonators möglichst genau bei einer bestimmten vorgegebenen Frequenz auftritt. l'iegen'der unvermeidlichen Herstellungstoleranzen ist diese Forderung im allgemeinen von Haus aus nicht erfüllt, so daß es erforderlich ist, die Resonanzfrequenz eines solchen Resonators nach seiner Herstellung einzustellen. Bekanntlich f bezeichnet man diesen Vorgang auch als "Abgleichen". in diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, den Abgleichvorgang durch Abtragung von Resonatormaterial mit Hilfe eines Schleifvorganges vorzunehmen. Es zeigen sich dabei jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten insbesondere dann, wenn der Abgleichvorgang nach Möglichkeit mit einem vollautomatischen öder zumindest einem halbautomatischen Verfahren durchgeführt werden soll. Es werden nämlich während des Schleifens so große Kräfte auf den abzugleichenden Resonator ausgeübt, daß dieser durch eine besondere Vorrichtung festgeklemmt werden muß. Diese Klemmung muß jedoch zu den im Verlauf eines Abgleiches notwendigen Kontrollmessungen gelöst werden, wodurch der Zeitaufwand für den Abgleichvorgang erhöht wird. Darüberhinaus sind mechanische Resonatoren häufig als sogenannte Verbundresonatoren ausgebildet, d.h. es sind beispielsweise auf einen aus Stahl bestehenden Resonator aus elektrostriktivem Material bestehende Plättchen aufgebracht. Das elektrostriktive Material ist gegenüber Druckkräften jedoch verhältnismäßig empfindlich, so daß die Gefahr besteht, daß es durch den bei der Klemmung auftretenden Druck zerstört wird. Weiterhin zeigt sich, daß der Resonator zusammen mit seiner Halterung und der Klemmvorrichtung gegenüber der Schleifscheibe becreglich sein muß, um die zum Abgleich erforderlichen Kontrollmessungen durchführen zu können. Eine vreitere Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß der Materialabtrag vom Alterungszustand der Schleifscheibe abhängt, so daß praktisch kein fester Zusammenhang zwischen dem Schleifdruck bzvt. der Schleifzeit und der zu erzielenden Frequenzänderung besteht. Darüberhinaus muß der Resonator während der beim Schleifen auftretenden verhältnismäßig starken Erwärmung gekühlt werden, um das Auftreten von Prequenzänderungen durch Temperaturänderungen zu unterbinden.As is known, mechanical resonators are beispiels- as a frequency standard because of their high vibration levels and because of small space consumptions or used in mechanical filters. In almost all applications it is important that the resonance frequency of such a mechanical resonator occurs as precisely as possible at a certain predetermined frequency. Due to the inevitable manufacturing tolerances, this requirement is generally not met by default, so that it is necessary to set the resonance frequency of such a resonator after its manufacture. Known for is called this process as "matching". In this context it is already known to carry out the adjustment process by removing resonator material with the aid of a grinding process. However, a number of difficulties arise, in particular when the balancing process is to be carried out with a fully automatic or at least one semi-automatic method, if possible. During the grinding process, so great forces are exerted on the resonator to be adjusted that it has to be clamped by a special device. However, this clamping must be released for the control measurements necessary in the course of an adjustment, which increases the time required for the adjustment process. In addition, mechanical resonators are often designed as so-called composite resonators, ie small plates made of electrostrictive material are applied, for example, to a resonator made of steel. However, the electrostrictive material is relatively sensitive to compressive forces, so that there is a risk that it will be destroyed by the pressure occurring during clamping. Furthermore, it turns out that the resonator, together with its holder and the clamping device, must be nervous in relation to the grinding wheel in order to be able to carry out the control measurements required for the adjustment. A broader difficulty is to be seen in the fact that the material removal depends on the state of aging of the grinding wheel, so that there is practically no fixed relationship between the grinding pressure or the grinding pressure. the grinding time and the frequency change to be achieved. In addition, the resonator must be cooled during the relatively strong heating that occurs during grinding in order to prevent the occurrence of frequency changes due to temperature changes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher 'leise zu begegnen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Prequenzabgieich mechanischer Resonatoren angegeben werden, bei dem die erforderliche FrequenüInderung in der Weise erfolgt, daß auf den jeweiligen mechanischen Resonator eine oder mehrere kleine Zusatzmassen aufgebracht werden, wodurch der Frequenzabgleich weitgehend einem automatischen Verfahren zugänglich wird. Ausgehend von einem Verfahren zum Prequenzabgleich eines mechanischen Resonators, der zumindest teilweise aus einem metallischen Material besteht, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß auf den mechanischen Resonator zusätzliches metallisches Material, dessen Masse klein ist im Verhältnis zur Masse des Resonators, durch ein wärmeeinbringendes Verbindungsverfahren aufgebracht wird.The invention is based on the problem of the aforementioned difficulties in relatively easier 'to meet quietly. In particular, a method for frequency adjustment of mechanical resonators can be specified, in which the required Frequency change takes place in such a way that on the respective mechanical resonator one or more small additional masses are applied, whereby the frequency adjustment is largely accessible to an automatic process. Based on a procedure for frequency adjustment of a mechanical resonator, which is at least partially consists of a metallic material, this object is according to the invention in Way solved that on the mechanical resonator additional metallic material, whose mass is small in relation to the mass of the resonator, due to a heat-introducing one Connection process is applied.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielos wird die Erfindung noch näher erläutert.Based on the embodiment shown in the drawing the invention explained in more detail.

In der Figur ist ein Ausschnitt eines mechanischen Resonators in etwa zehnfacher Vergrößerung eines realisierten AusfÜhrungsbeispieles dargestellt. Der Resonator ist mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet und hat aufgrund seiner Materialeigenschaften die Masse m. An der Stirnseite des Resonators ist ein kleines Stück eines-zusätzlichen metallischen Materials 2 aufgetragen, das mit dem Resonator 1 mit Hilfe eines wärmeeinbringenden Verbindungsverfahrens fest verbunden ist. Als Verbindungsverfahren eignen sich an sich alle den Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Löten oder Schweißen. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, eignet sich insbesondere ein Edelgasschutzgasschweißverfahren, bei dem bekanntlich der Schweißvorgang unter` einer Schutzgasatmosphäre erfolgt, wodurch eine unerwünschte Oxydation der zu verbindenden Teile an der Verbindungsstelle unterbunden wird. Heim Aufschweißen des zusätzlichen metallischen Materials wird eine weitgehend homogene Verbindung mit dem Grundwerkstoff hergestellt, wie dies aus dem Verlauf der Verbindungszone 3 ersichtlich ist. Voraussetzung für die Anwendung eines wärmeeinbringenden Verbindungsverfahrens ist selbstverständlich, daß der Resonator im Bereich der Verbindungsstelle aus einem metallischen Material besteht. Diese Voraussetzung ist im allgemeinen von Haus aus gegeben, da bekanntlich als Resonatormaterial bevorzugt ein Stahl mit einem verhältnismäßig geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten verwendet wird. Selbstverständlich eignot sich dieses Verfahren auch zum Abgleich sogenannter Verbundresonatoren. Verbundresonatoren sind solche mechanische Resonatoren, bei denen entweder im Zug des Resonators oder auf die Resonatoroberfläche ein zusätzliches elektrostriktiv aktives Material aufgebracht ist, wodurch ein derartiger Resonator gleichzeitig als elektromechanischer Wandler wirkt, der in mechanischen Filtern in der Regel als Endresonator entvreder zur UMcuditn' elektrischer in mechanische Schwingungen oder umgekehrt zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische Schvrin@ gungen vorgesehen sein muß.The figure shows a section of a mechanical resonator approximately tenfold enlargement of a realized exemplary embodiment shown. Of the Resonator is denoted by the reference number 1 and has due to its material properties the mass m. At the front of the resonator is a small piece of an-additional metallic material 2 applied to the resonator 1 with the help of a heat-introducing Connection method is firmly connected. Suitable connection methods are all the connection method, such as soldering or Welding. As the studies on which the invention is based have shown, suitable In particular, a noble gas shielded gas welding process, in which, as is known, the The welding process takes place under a protective gas atmosphere, which results in an undesirable Oxidation of the parts to be connected is prevented at the connection point. home Welding the additional metallic material is largely homogeneous Connection with the base material established, as shown in the course of the connection zone 3 can be seen. Prerequisite for the use of a heat-generating joining process It goes without saying that the resonator consists of a metallic material. This requirement is generally inherent given, as is well known, a steel with a relatively preferred resonator material low temperature expansion coefficient is used. Of course it is this method is also used to adjust so-called composite resonators. Composite resonators are such mechanical resonators, where either in the train of the resonator or an additional electrostrictively active material is applied to the resonator surface is, whereby such a resonator also acts as an electromechanical transducer acts, which in mechanical filters usually as a final resonator entrusted to the audit ' electrical vibrations into mechanical vibrations or vice versa for the conversion of mechanical ones Vibrations in electrical vibrations must be provided.

Die gegenüber der Ist-Frequenz f des Resonators zu erzielende "requenzänderung 6f gehorcht zumindest näherungsweise der Pormel wenn Am das Gewicht de2 zusätzliche aufgebrachten metallischen Teilchens und m das Gewicht des unbelasteten Resonators bedeuten. Das in der Pigur dargestellte Ausführungsbeispiel hat ein Eigengewicht von etwa 1,3g und es zeigt sich, daß eine lineare Frequenzänderung bis 150 Hz durch einen zusätzlichen Auftrag metallischen ?Materials bis etwa 2,5 mg erzielt wird, wobei die Grundresonanzfrequenz etwa bei 50 kHz liegt.The frequency change 6f to be achieved with respect to the actual frequency f of the resonator obeys the formula at least approximately if Am is the weight of de2 additional applied metallic particles and m is the weight of the unloaded resonator. The embodiment shown in Pigur has a dead weight of about 1.3g and it can be seen that a linear frequency change up to 150 Hz is achieved by an additional application of metallic material up to about 2.5 mg, the basic resonance frequency being about 50 kHz .

Das Vorzeichen der Frequenzänderung ist lediglich abhängig von der Stelle, an der das zusätzliche Material am Resonator befestigt wird. Es läßt sich eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz erreichen, wenn das zusätzliche Material an solchen Stellen des mechanischen Resonators befestigt wird, die beim Schwingungsvorgang im Bereich maximaler Bevregungsenergie liegen. Demgegenüber läßt sich eine Erhöhung der Resonanzfrequenz dann erreichen, Trenn das zusätzliche Material an solchen Stellen des mechanischen Resonators befestigt wird, die beim Schwingungsvorgang im Bereich maximaler elastischer Verformung liegen.The sign of the frequency change is only dependent on the Place where the additional material will be attached to the resonator. It can be achieve a lowering of the resonance frequency when the additional material is attached to such points of the mechanical resonator that during the oscillation process are in the range of maximum stimulation energy. In contrast, there can be an increase Then reach the resonance frequency, separating the additional material in such places of the mechanical resonator is attached to the vibration process in the area maximum elastic deformation.

Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Automatisierung des Abgleichvorganges. Hierzu ist es lediglich erforderlich, zunächst Zusatzmassen mit unterschiedlichen Gewichten herzustellen, die beispielsweise durch einen Abschervorgang aus einen Runddraht hergestellt werden können, der insbesondere aus dem gleichen Material wie der Resonator 1 selbst besteht. Durch Messung der Resonanzfrequenz des vorgefertigten Resonators läßt sich die Abweichung von der Soll-Frequenz feststellen und es wird dann lediglich ein zusätzliches Teilchen solchen Gewichtes auf den Resonator aufgebracht, daß seine endgültige Resonanzfrequenz möglichst genau mit der theoretisch geforderten Soll-Frequenz übereinstimmt. Zweckmäßig fertigt man die Zusatzmassen in Gewichtsklassen zwischen 20 jig bis 5 mg, wobei es selbstverständlich möglich ist, mehrere Zusatzmassen unterschiedlichen Gewichts auf den Resonator aufzubringen.The method is particularly suitable for automating the Adjustment process. For this it is only necessary to first use additional masses produce different weights, for example by a shearing process can be made from a round wire, in particular from the same Material like the resonator 1 itself is made. By measuring the resonance frequency of the prefabricated resonator, the deviation from the nominal frequency can be determined and there is then only an additional particle of such weight on the resonator applied that its final resonance frequency as closely as possible with the theoretical required target frequency. The additional masses are expediently produced in weight classes between 20 jig to 5 mg, taking it of course it is possible to apply several additional masses of different weights to the resonator.

Claims

P a t e n t ans p r ü c h e 1. Procedure for frequency adjustment of a mechanical resonator, which is at least partially made of a metallic material consists, characterized in that additional to the mechanical resonator (1) metallic material (2), the mass (Am) of which is small in relation to the mass (m) of the resonator (1), applied by a heat-introducing connection process will.

2. The method according to claim 1, characterized in that as a heat-introducing Process a noble gas protective gas rupture process is used.

3. Procedure according to one of the preceding claims, characterized in that the additional metallic material (2) applied to such points of the mechanical resonator (1) which are in the range of maximum stimulation energy during the oscillation process.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the additional metallic material (2) on such stalls of the mechanical resonator (1) is applied, which is in the area of maximum elastic during the visualization process Deformation lie.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the weight of the material (2) additionally applied to the resonator (1) is between 20 mycrograms and 5 milligrams.